Aurinkoenergian keruuta mustalla metallilla

Energiaomavaraisuuden tavoittelussa tutkijat ovat tutkineet myös aurinkolämpögeneraattoreita (STEG).

Nykyisillä STEG-generaattoreilla on merkittäviä hyötysuhderajoituksia, jotka estävät niitä laajemmin käyttämästä käytännön energiantuotantomuotoa. Tällä hetkellä useimmat aurinkolämpögeneraattorit muuttavat alle yhden prosentin auringonvalosta sähköksi, kun taas asuinrakennusten aurinkopaneelijärjestelmissä vastaava luku on noin 20 prosenttia.

Rochesterin yliopiston optiikan laitoksen tutkijoiden kehittämät uudet tekniikat pienensivät tätä tehokkuuseroa dramaattisesti. Light: Science and Applications -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tiimi kuvaili ainutlaatuisia spektrisuunnittelu- ja lämmönhallintamenetelmiään luoden STEG-laitteen, joka tuottaa 15 kertaa enemmän tehoa kuin aiemmat ratkaisut.

”Tutkimusyhteisö on vuosikymmenten ajan keskittynyt STEG-laitteissa käytettyjen puolijohdemateriaalien parantamiseen ja saavuttanut vaatimattomia parannuksia kokonaishyötysuhteessa”, sanoo Chunlei Guo, optiikan ja fysiikan professori. ”Tässä tutkimuksessa emme edes koske puolijohdemateriaaleihin – sen sijaan keskityimme laitteen kuumiin ja kylmiin puoliin. Yhdistämällä paremman aurinkoenergian absorption ja lämmön loukkuun jäämisen kuumalla puolella parempaan lämmönpoistoon kylmällä puolella, teimme hämmästyttävän parannuksen hyötysuhteessa.”

Uudet, tehokkaat STEG:t suunniteltiin kolmella strategialla. Ensinnäkin STEG:n kuumalla puolella tutkijat käyttivät Guon laboratoriossa kehitettyä erityistä mustan metallin teknologiaa tavallisen volframin muuntamiseksi absorboimaan valikoivasti valoa auringon aallonpituuksilla.

Käyttämällä tehokasta lasertekniikka metallipintojen syövyttämiseen nanomittakaavan rakenteilla he paransivat materiaalin energian absorptiota auringonvalosta ja samalla vähensivät lämmönhukkaa muilla aallonpituuksilla.

Toiseksi tutkijat ”peittivät mustan metallin muovinpalalla tehdäkseen minikasvihuoneen, aivan kuten maatilalla”, Guo sanoo. ”Voit minimoida konvektion ja johtumisen, jotta voit vangita enemmän lämpöä ja nostaa lämpötilaa kuumalla puolella.”

Lopuksi, STEG:n kylmällä puolella, he käyttivät jälleen laseria, mutta tällä kertaa tavalliseen alumiiniin luodakseen jäähdytyselementin, jossa on pieniä rakenteita, jotka paransivat lämmönpoistoa sekä säteilyn että konvektion kautta. Tämä prosessi kaksinkertaistaa tyypillisen alumiinisen lämmönpoistorakenteen jäähdytystehon.

Eli tutkimus sai aikaan auringonvalon lämpövaikutukseen perustuvan lämpösähköisen generaattorin (TEG) valon spektrisuunnittelun ja lämmönhallinnan avulla.

Aiheesta aiemmin:

Supertehokas fototerminen muuntaminen

Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä